авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Противопаводковое управление водохранилищем многоцелевого назначения

-- [ Страница 2 ] --

Табл. 1 «Данные анализа цикличности и тренда по р. Кубань».

Данные анализа цикличности и тренда р. Кубань (табл.1) показывают, что для обоих гидрологических рядов имеет место небольшая, но статистически достоверная корреляция между стоком смежных лет. Корреляция же для двухзвенной и трехзвенной Марковской цепи (r2 и r3) оказалась статистически недостоверной. Исходя из этого, можно принять гипотезу об отсутствии корреляции в несмежные годы для реки Кубань. Анализ критерия серий показал отсутствие статистически достоверной тенденции к группировке лет повышенной и пониженной водности для реки Кубань. Согласно оценке непараметрического критерия тренда Спирмена можно сделать вывод, что ряд многолетних колебаний стока реки Кубань приобрел явно возрастающий тренд в последнее тридцатилетие.

В соответствии с вышеизложенным, можно заключить, что в последнее тридцатилетие водность реки Кубань имеет тенденцию к незначительному увеличению за счет появления отдельных значительно отличающихся от среднемноголетнего стока его годовых величин.

Внутригодовое распределение притока речных вод к Краснодарскому водохранилищу отличается большой изменчивостью однофазных величин. Годовые гидрографы имеют пилообразный вид. Половодье начинается резким подъемом уровней, как правило, в мае и проходит в течение весенне-летнего периода с апреля по август, вследствие наложения паводков ледникового и дождевого происхождения. Из анализа гидрографов внутригодового распределения притока воды к водохранилищу (рис. 1) для выборочных лет (1986 и 1989 гг.) видно, что практически невозможно построить достаточно достоверный типовой гидрограф расходов воды или получить типовое внутригодовое распределение стока.

Рис. 1 «Гидрографы внутригодового распределения притока речных вод к Краснодарскому водохранилищу для 1986 и 1989 гг.».

Для статической характеристики внутригодового распределения стока по данным наблюдений были определены средние значения расходов притока к водохранилищу и их коэффициенты вариации по выделенным 72 внутригодовым интервалам. Из их анализа можно сделать вывод, что наибольшую опасность появления аварийной ситуации при пропуске катастрофических паводков Краснодарским водохранилищем представляет период с июня по август месяц.

Третья глава посвящена построению стохастической модели притока речных вод к водохранилищу комплексного назначения и стохастической модели функционирования Краснодарского водохранилища.

В качестве исходных данных для моделирования был принят гидрологический ряд суточных объемов суммарного притока воды к Краснодарскому водохранилищу с 1973 г. по 2005 г. (всего 32 водохозяйственных года), полученный в Кубанском Бассейновом Водном Управлении и, непосредственно, в ФГУ «Краснодарское водохранилище».

Для всех современных моделей стока и управления водохранилищами приходится решать вопрос выбора расчетных интервалов – дискретности. Сущность дискретизации состоит в выборе наиболее оптимального временного интервала, в пределах которого сток можно характеризовать осредненным значением за выбранный период. В проведенных исследованиях для объективного выбора дискретности моделирования были рассмотрены следующие критерии: а) время добегания паводка от истока реки Кубань до Краснодарского водохранилища; б) степень превышения максимального значения расхода в пределах расчетных временных интервалов над средним значением за эти интервалы; в) статистические характеристики по расчетным временным интервалам; г) стандартные краткосрочные прогнозы гидрометслужбы по осадкам и температурам.

Было установлено, что время добегания паводка от истока р. Кубань до Краснодарского водохранилища составляет примерно 5 суток. Значение коэффициента отношения максимальных значений суточных расходов, наблюдавшихся в пределах конкретного временного интервала, к соответствующему среднему пентадному (пятисуточному) расходу находится в пределах допустимой точности измерения самих этих величин. Анализ статистических характеристик стока (Qср, Cv, Cs, r) для различных внутригодовых периодов также показал предпочтительность выбора пятисуточного временного интервала для дальнейших исследований. Также при дискретизации модели в 5 суток (пентада) имеется возможность учитывать краткосрочные прогнозы стока при оперативном управлении водными ресурсами Краснодарского водохранилища. Достоверность таких прогнозов достаточно высока, и вероятность их оправдываемости приближается к единице. Соответственно, достоверность среднесрочных прогнозов стока (заблаговременность до 10 суток) и долгосрочных прогнозов (заблаговременность свыше 10 суток) гораздо меньше.

Таким образом, проведенный комплексный анализ выбора дискретности модели управления Краснодарским водохранилищем позволяет достаточно объективно сделать вывод, что наиболее подходящим расчетным интервалом в данном случае является пятидневный интервал (пентада).

Стохастическая модель притока речного стока к водохранилищу комплексного использования разрабатывалась на основе метода Монте-Карло в реализации способа фрагментов Г.Г. Сванидзе. Суть этого способа в двойном моделировании: искусственного гидрологического ряда из среднегодовых расходов воды, а затем модели внутригодового распределения стока, так называемого фрагмента.

В результате получались длительные искусственные ряды колебаний пятисуточных расходов воды. Далее решался вопрос о необходимой длительности искусственного ряда с точки зрения стабилизации статистических параметров искусственного гидрологического ряда при различной его длительности. С этой целью были построены графики изменения статистических характеристик в зависимости от числа лет смоделированного гидрологического ряда объемов притока к Краснодарскому водохранилищу. По таким графикам можно судить о том, когда стабилизируются все статистические характеристики. Анализировались средние пентадные значения стока, их коэффициенты вариации и ассиметрии Cv и Cs. Анализ показал, что уже через 600-700 лет моделирования все характеристики принимают стабильное значение с небольшим колебанием около их среднего значения. При дальнейшем моделировании уменьшение степени таких колебаний не происходит. Основываясь на таком факте, можно сделать вывод, что для получения стабильных статистических характеристик искусственных гидрологических рядов расходов достаточно моделировать ряды длительностью 1000 лет.

Следующим этапом проводился анализ степени совпадения выборочных режимных статистических характеристик исходного и смоделированного гидрологических рядов. Несмотря на то, что способ фрагментов неоднократно проверялся различными исследователями на многочисленных экспериментах, которые подтвердили правомерность его применения в водохозяйственных задачах, анализ степени совпадения исходного и смоделированного гидрологических рядов дает каждый раз возможность сделать конкретные выводы по отношению к конкретной задаче и конкретному объекту. На первом этапе использования способа фрагментов моделируются годовые расходы воды. Поэтому в первую очередь анализировалось совпадение исходного ряда годовых расходов и искусственного. Для решения этой задачи проверялось соответствие теоретической и эмпирической кривых обеспеченностей. Максимальное расхождение вероятностей превышения достигает 0,02, что не превышает критического значения 0,043, определенно по таблице Колмогорова А.Н.. Следовательно, принятая функция обеспеченности годового стока с параметрами Cv=0,24, Cs=2Cv не отвергается.

Норма стока по 32-летнему ряду равна 397 м3/с. Среднее многолетнее значение стока по 1000 летнему ряду равно 395 м3/с. Различие между этими двумя величинами составляет 0,5%, что вполне допустимо. Коэффициенты вариации и ассиметрии для величин стока искусственного и исходного рядов также идентичны.

Чтобы оценить соответствие внутригодового распределения стока исходного и искусственного гидрологических рядов, были сопоставлены и статистические параметры стока по 72 выделенным внутригодовым пентадным интервалам (рис 2, 3). Максимальное расхождение между коэффициентами вариации при внутригодовом распределении составляет 13%, что вполне допустимо. Максимальное различие между средними значениями расхода смоделированного и исходного рядов практически не превышает 10% (только за два внутригодовых интервала с 21 по 25 марта и с 26 по 31 марта составляет 15%), что тоже вполне допустимо, так как сами измерения максимальных расходов проводятся с точностью 10-15%, а относительные среднеквадратические ошибки этих параметров при имеющихся рядах наблюдений и принятых законах распределения составляют 10 – 15%.

 Соотношение коэффициентов-1

Рис. 2 «Соотношение коэффициентов вариации по внутригодового распределения для естественного и смоделированного рядов»

 Соотношение средних расходов-2

Рис. 3 «Соотношение средних расходов притока по внутригодового распределению для естественного и смоделированного рядов»

Кроме того, была проведена статистическая оценка однородности наблюденного и искусственного гидрологических рядов. В качестве критериев однородности средних расходов использовался критерий Стьюдента t, а для оценки однородности дисперсий критерий Фишера F. Для рядов годовых расходов критерий Фишера получился равным F=12/22=1,002, что значительно меньше его критического значения F =1,4. Значение критерия Стьюдента t=0,14 также намного меньше критического (2,58). При статистической оценке однородности рядов для внутригодового распределения стока практически во всех случаях получились результаты, при которых нуль-гипотеза однородности расходов и дисперсий не может быть отвергнута.

Также был проведен анализ различия коэффициентов корреляции между величинами стока смежных и несмежных внутригодовых интервалов по исходному и смоделированному рядам пятисуточных расходов воды. Коэффициенты корреляции определялись между величинами стока за расчетный интервал m и предыдущий интервал m-1, а также между расчетным и предшествующий предыдущему m-2. Результаты сопоставления коэффициентов корреляции r(m-1) и r(m-2) исходного и искусственного гидрологических рядов по внутригодовым интервалам также не дают повода отвергнуть гипотезу о принадлежности исходного наблюденного и искусственных рядов к одной генеральной совокупности случайных величин. При дальнейших водохозяйственных расчетах достаточно учитывать коэффициенты корреляции только между стоком только в смежные внутригодовые интервалы.

Таким образом, был сделан вывод о том, что принятый способ моделирования гидрологических рядов достаточно точен. Величины стока моделируются с достаточной точностью, и имеющиеся отклонения не могут существенно повлиять на характеристики регулирования стока Краснодарским водохранилищем. Более того, можно говорить о том, что исходный ряд и смоделированные ряды относятся к одной генеральной совокупности случайных величин. Выбранный способ стохастического моделирования стока является достаточно корректным для условий Краснодарского водохранилища.

Кроме модели притока речных вод к водохранилищу, основанной на статистических испытаниях способом фрагментов, в представляемой диссертационной работе разработана еще одна вспомогательная модель, предназначенная для выбора рациональных правил регулирования паводкового стока в целях уменьшения вероятности аварии и рентабельности водоотдачи из водохранилища. В этой модели процесс стока представляется по типу простой Марковской цепи – совокупностью условных функций обеспеченности объемов стока, поступающих в водохранилище в пределах выбранных 72 внутригодовых интервалов. Для выявления рациональных правил регулирования паводкового стока целесообразно характеризовать условными функциями обеспеченности величины стока в интервалах, характеризующих период прохождения паводков и период интенсивной водоотдачи. Параметры условных функций обеспеченности определялись следующим образом. Условные средние значения объемов притока по формуле:

WсрM(WM-1) = WсрM + rM-1 M/M-1 • (WM-1 - WсрM-1) (1)

Где: WсрM и WсрM-1 – соответствующие фактические средние значения притока в М-ый и (М-1)-ый интервалы; M и M-1 – фактические среднеквадратические отклонения в М-ый и (М-1)-ый интервалы; WсрM(WM-1) – условные средние объемы притока WM-1.

Второй параметр условных функций обеспеченности притока – коэффициент вариации CvM/M-1 вычисляется по формуле:

CvM/M-1 = (CvM • WсрM/ WсрM(WM-1)) • (1-r2M/M-1)1/2 (2)

где, помимо прежних обозначений: WсрM, CvM – соответственно среднее значение притока и коэффициент вариации за рассматриваемый М-ый интервал.

Третий параметр условных функций обеспеченности – коэффициент асимметрии, согласно принятой гипотезе, жестко связан с принятым типом распределения случайных величин:

CsM/M-1 = K • CvM/M-1 (3)

Где: К – коэффициент, принимаемый равным значению пропорциональности исходных (безусловных) функций.

Большинство водохозяйственных задач при эксплуатации водохранилища, невозможно решить, основываясь исключительно на аналитических методах, из-за ряда весомых причин. Альтернативой этим методам служит математическое моделирование, применимое для решения задач проектирования и эксплуатации, как водохозяйственных систем в целом, так и водохранилищ в частности. Как известно, основные параметры водохранилища комплексного назначения и правила регулирования стока устанавливаются из сопоставления режимов стока и требуемого водопотребления, а также из условий пропуска паводков. При этом желательно получить такие правила регулирования, при которых расчетные объемы водохранилища (в том числе и используемая противопаводковая емкость) и ущерб от дефицита воды были как можно меньше, а величина обеспеченности плановой водоотдачи как можно больше. Такие задачи достаточно корректно можно решить с помощью математических моделей работы водохранилища. В представляемой работе способом решения поставленных задач принято стохастическое моделирование для анализа долговременной работы водохранилища, и оптимизационное для выбора наилучшего решения внутри каждого отдельно взятого интервала. Разработанная модель функционирования водохранилища комплексного назначения является имитационной в том смысле, что она предназначена для анализа долговременного функционирования водохранилища комплексного назначения. Внутри же каждого расчетного периода решается задача оптимизации, которая является вспомогательной для выбора наилучшего решения.

На основе моделирования процесса притока воды к Краснодарскому водохранилищу и его проектных характеристик была разработана математическая модель функционирования гидроузла. Модель составлялась исходя из особенностей режима притока к водохранилищу и соответствующего возможного прогноза притока. Заблаговременность краткосрочного прогноза стока по реке Кубань составляет 5 суток. Такой прогноз можно считать достаточно реальным. Поэтому пятисуточный прогноз притока в модели представлялся, как достоверный. Приток за последующую пентаду определялся с помощью условных функций обеспеченности притока в зависимости от притока в предыдущую пентаду, так как коэффициент корреляции между значениями притока в смежные интервалы составляет 0,5-0,9. Поскольку изменчивость условных функций обеспеченности притока незначительна, в качестве прогнозной величины принималась значение 50% обеспеченности.

В основе модели функционирования водохранилища было положено обычное балансовое уравнение для наполнений водохранилища по пентадным внутригодовым интервалам.

Vi+1 = Vi + Wi – X1i – X2i – Si (4)

Где: Vi+1 – наполнение водохранилища к концу расчетного периода (пентады); Vi – наполнение водохранилища к началу расчетного периода (пентады); Wi – объем притока воды к водохранилищу; X1i – объем фактической водоподачи из верхнего бьефа водохранилища включая потери на испарение и фильтрацию; X2i – объем фактической водоподачи из нижнего бьефа водохранилища; Si – объем холостого сброса в нижний бьеф.

Для условий возможного дефицита воды начальные правила управления водохранилищем выражались традиционным диспетчерскими графиками, рассчитанными методом Крицкого С.Н., Менкеля М.Ф.. Применительно к Краснодарскому водохранилищу правила регулирования стока сводятся к следующим граничным условиям:

  1. Если Vi < Vмо, то U1*i = 0 и U2*i = 0
  2. Если Vмо Vi < Vдисп3i, то X1i = к3* U1i и X2i = к3* U2i
  3. Если Vдисп3i Vi < Vдисп2i, то X1i = к2* U1i и X2i = к2* U2i
  4. Если Vдисп2i Vi < Vдисп1i, то X1i = к1* U1i и X2i = к1* U2i
  5. Если Vi > Vдисп1i, то X1i = U1i и X2i = U2i

Vмо < Vдисп3i < Vдисп2i < Vдисп1i < Vнпу ; 0 К3 < К2 < К1 < 1

где U1i – объем требуемого водозабора из верхнего бьефа водохранилища; U2i – объем требуемого водозабора из нижнего бьефа водохранилища включая санитарно-экологический попуск;

Объемы фактической водоотдачи X1i и X2i определяются в зависимости от начального наполнения (Vi) в соответствии с заданным диспетчерским графиком. Потери воды из водохранилища на испарение и фильтрацию учитываются в величинах водоотдачи.

Для противопаводкового регулирования использовались следующие ограничения:

  1. Если Vi+1 Vнпу, то Xi2 + Si Wнпуiсб ;
  2. Если Vi+1 Vмпу, то Xi2 + Si Wмпуiсб ;
  3. Если Vi+1 Vфпу, то Xi2 + Si Wфпуiсб ;

Где Wiсб – максимальный разрешенный сброс в нижний бьеф;

Во время прохождения катастрофических паводков при достижении НПУ Vнпу=Vmax1, в нижний бьеф пропускаются расходы не превышающие значения Qmax1 до заполнения части противопаводковой емкости Vмпу=Vmax2, далее разрешено сбрасываются расходы не превышающие Qmax2. После заполнения всей основной противопаводковой емкости Vфпу=Vmax3 разрешено сбрасывать расходы не превышающие Qmax3. Только при невозможности пропустить паводок с такими условиями регулирования используются все пропускные устройства. Однако такие действия являются аварийными, поскольку в нижнем бьефе создается катастрофическая ситуация. В течение зимнего периода (декабрь, январь и февраль) условия пропуска паводков такие же, меняются только численные значения максимально допустимых сбросных расходов Qmax1,Qmax2,Qmax3.

Изложенные правила регулирования стока были исходными для построения модели работы водохранилища и определения его параметров и вероятностных характеристик. Далее, при нормальных условиях стока и заданных начальных правилах эксплуатации водохранилища проводился обычный балансовый расчет пятисуточных наполнений водохранилища согласно уравнению 4. Если в процессе работы водохранилища общий период (за год) пониженного водопотребления был длительнее 5 суток, то такой год считался перебойным. Частота появления перебойных лет по отношению к общему числу лет смоделированной работы водохранилища принималась за вероятность перебоев в работе.

P’ = Aп/N •100 % (5)

где N – общее число лет моделирования; An – количество перебойных лет.

Обеспеченность плановой отдачи воды потребителю вычислялось вычитанием вероятности перебоев из единицы.

P = 100 - P’ (6)



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.